CN201184867Y - 基于4f相位相干成像系统测量材料的光学非线性的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于4f相位相干成像系统测量材料的光学非线性的装置，入射激光通过分束镜分成两束，一束为探测光进入测量光路，通过4f系统后由CCD相机采集；另一束为参考光，进入参考光路；样品位于测量光路4f系统的傅立叶平面，其特征在于：所述参考光路是4f系统，且参考光路的出射方向和测量光路的出射方向平行，参考光路与测量光路的出射光照射在同一个CCD相机上。本实用新型可以由同一个激光脉冲获得非线性光斑和线性的参考光斑，在获得样品上脉冲激光能量的同时可以获得代表入射面上入射脉冲空间分布情况，可以在光斑空间分布不稳定的情况下测量介质的非线性折射率，光路简单，测试速度快，结果准确，数据处理方便。

Description

基于4f相位相干成像系统测量材料的光学非线性的装置

技术领域

本实用新型涉及一种光子学非线性材料的测量装置，具体涉及一种基于4f相位相干成像系统能在激光光斑分布以及能量不稳定的情况下测量光学材料非线性的装置，属于非线性光子学材料和非线性光学信息处理领域。

背景技术

随着光通信和光信息处理等领域的飞速发展，非线性光学材料研究日益重要。光学逻辑、光学记忆、光三极管、光开关和相位复共轭等功能的实现主要依赖于非线性光学材料的研究进展。光学非线性测量技术是研究非线性光子学材料的关键技术之一。

4f相位相干成像系统(G.Boudebs and S.Cherukulappurath，“Nonlinear optical measurements using a 4f coherent imaging system withphase object”，Phys.Rev.A，69，053813(2004))是近年来提出的一种测量材料非线性折射的新方法。它是受到泽尔尼克空间滤波实验中可以将相位变化转化为图象中强度的变化启发而提出的。

传统的4f相位相干成像系统通过分束镜将入射激光分成两路，分别进入测量光路和参考光路，测量光路是4f系统，测量光路由相位光阑、凸透镜、待测样品、凸透镜、中性衰减片和CCD相机组成。其中两个凸透镜构成4f系统，相位光阑4放置在4f系统的物面上，待测样品在傅里叶平面上，CCD相机在4f系统的像平面上接收脉冲图像；参考光路由分束镜、反射镜、凸透镜、反射镜和分束镜组成，参考光路具有监视测量光路激光脉冲能量的作用，测量光路通过先后获得非线性光斑和线性光斑，然后拟合得到待测材料的非线性折射率。4f相位相干成像系统测量材料的非线性主要有两个步骤：

1)能量定标，将校准的能量计探头放置在主光路中样品的位置，然后发射一个激光脉冲，这时能量计的示数即是实验中打到样品上的能量，它与CCD探测到的参考光斑的强度是成正线性关系的；参考光路监视每个激光脉冲能量的变化，然后通过CCD测得的光强的空间分布可以计算得到不同位置上的光强大小。

2)测量和拟合，先在样品前放置衰减片衰减入射光强，使得样品的非线性效应可以忽略不计，入射一个激光脉冲，通过测量系统打过待测样品后CCD拍到的图像称为线性光斑；再将先前放置在非线性样品之前的衰减片放置到样品之后，这样测得的图像称为非线性光斑。以线性光斑作为输入，根据测得的图象进行数值拟合得到材料的非线性折射率。

以往非线性的研究主要在集中在532nm，1064nm，800nm等波段，这些波段的激光是激光器直接出射或倍频后得到的，一般可以达到比较理想的空间分布和稳定性。随着研究的深入，为了研究非线性材料在其它波段的非线性性质，就必须借助于光学参量产生器(OPG)、光学参量放大器(OPA)或光学参量振荡器(OPO)等仪器。通过这些仪器可以将波长调节到从可见到近红外的任意波段，但是这些仪器出射的激光通常空间分布以及能量都很不稳定。

利用4f相位相干成像系统测量材料的非线性需要拟合入射面的像和出射面的非线性的像，传统的方法中利用测量光路先后得到的线性光斑和非线性光斑拟合，这两个光斑是从两个不同的激光脉冲分别得到的，在激光空间分布稳定的情况下，尽管线性光斑与非线性光斑是由不同的脉冲得到的，但是它们在入射面上具有相同的空间分布，因此可以用线性光斑来代替非线性光斑在入射面上的空间分布进行数值模拟。

但是当激光脉冲空间分布不稳定的情况下，由于脉冲之间的空间分布的不稳定性，由不同脉冲得到的非线性光斑与线性光斑在入射面上的空间分布就可能会有明显的差异，此时如果继续用线性光斑作为输入就会造成数值模拟结果与实验测量结果的不同。因此，现有的4f相位相干成像系统无法在光斑分布不稳定情况下对材料的光学非线性折射进行有效的测量。

发明内容

本实用新型目的是提供一种基于4f相位相干成像系统能在激光光斑分布以及能量不稳定的情况下测量光学材料非线性折射率的装置，属于非线性光子学材料和非线性光学信息处理领域。

为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种基于4f相位相干成像系统测量材料的光学非线性的装置，入射激光通过分束镜分成两束，一束为探测光进入测量光路，通过4f系统后由CCD相机采集；另一束为参考光，进入参考光路；样品位于测量光路4f系统的傅立叶平面，所述参考光路是4f系统，且参考光路的出射方向和测量光路的出射方向平行，参考光路与测量光路的出射光照射在同一个CCD相机上。

上述技术方案中，所述测量光路由相位光阑、两个凸透镜构成的4f系统、中性衰减片和CCD相机组成，所述参考光路由分束镜、反射镜、两个凸透镜构成的4f系统、中性衰减片、两个反射镜和CCD相机组成。

所述测量光路中的两个凸透镜的焦距相等，所述参考光路中的两个凸透镜的焦距相等。

上述技术方案中，参考光路4f系统和测量光路4f系统的入射面和出射面各自重合，测量光路中，所述相位光阑到第一个凸透镜的距离等于该凸透镜的焦距；第二个凸透镜到所述CCD相机的距离等于该凸透镜的焦距。

参考光路中，所述相位光阑到分束镜、分束镜到反射镜和反射镜到第一个凸透镜这三段距离之和等于该凸透镜的焦距；第二个凸透镜经两个反射镜到CCD相机的距离和等于该凸透镜的焦距。

所述分束镜的透过率和反射率各为50％。

上述技术方案中，主光路中构成4f系统的两块凸透镜等焦距，参考光路中构成4f系统的两块凸透镜等焦距，且参考光路4f系统的焦距大于主光路4f系统的焦距。

本实用新型的基本原理是：通过改进传统4f系统的参考光路，将它变成另外一个焦距较长的4f系统，并且保证参考光路的4f系统和主光路中的4f系统的入射面和出射面各自重合，使得原来用以监测脉冲能量浮动的参考光斑同时具有监测入射脉冲空间分布的功能。

进行非线性折射率的测量分两步：能量校准和测量拟合。

能量校准：将非线性样品取走，将校准的能量计探头放置在两个凸透镜之间的傅立叶平面上，使得激光光斑能够全部打到能量计探头上。发射一个激光脉冲，用能量计测量脉冲的能量，同时用CCD相机采集参考光路的参考光斑。由于此时光路中所有器件都是线性器件，所以根据参考光斑的强弱就可以知道入射脉冲能量的大小。这样在非线性测量过程中的入射到待测样品上的脉冲的能量就可以通过同一个激光脉冲产生的参考光斑来计算得到。

测量拟合：入射一个脉冲光，在CCD上得到两个光斑，入射光经过主光路的4f系统第一块凸透镜的傅立叶变换会聚到位于傅里叶平面上的待测样品，由于待测样品的非线性折射性质，使得入射的脉冲激光的相位发生变化，从样品后表面出射的脉冲经过第二块凸透镜的傅里叶逆变换由CCD相机接受，获得非线性光斑；经过参考光路4f系统入射面经过一个傅立叶变换以及一个逆傅立叶变换到达CCD接收面，得到参考光斑，这时CCD上得到的参考光斑就是入射面上激光光斑的颠倒的像。

由于CCD探测到的参考光路所获得的参考光斑的空间分布与入射脉冲在入射面上的空间分布情况是相同的，又由于参考光斑和非线性光斑是同一个脉冲分离得到的，因此参考光斑的空间分布就能代表非线性脉冲在入射面上的空间分布情况。用改进后的参考光斑作为输入来数值模拟非线性光斑就可以摆脱激光空间分布不稳定的影响。

本实用新型所公开的基于4f相位相干成像系统测量材料的光学非线性的装置，可以广泛的应用于非线性测量，非线性光子学材料，非线性光学信息处理和光子学器件等研究领域，尤其是非线性光功能材料的测试和改性等关键环节。

由于上述技术方案运用，本实用新型与现有技术相比具有下列优点：

1.由于对参考光路进行了改进，在获得样品上脉冲激光能量的同时可以获得代表入射面上入射脉冲空间分布情况，可以在光斑空间分布不稳定的情况下测量介质的非线性折射率，测试结果准确；

2.由于不需要先后利用传统的4f相干成像系统获得一个线性光斑和非线性光斑，可以由同一个激光脉冲一次获得非线性光斑和线性的参考光斑，从而拟合出材料的非线性，光路简单，测试速度快捷，数据处理方便。

附图说明

附图1是基于4f相位相干成像系统测量材料光学非线性的装置图；

附图2是本发明实施例一中带圆形相位物体的相位光阑示意图。

其中：1、凸透镜；2、凸透镜；3、反射镜；4、相位光阑；5、分束镜；6、凸透镜；7、待测样品；8、凸透镜；9、中性衰减片；10、CCD相机；11、反射镜；12、凸透镜；13、凸透镜；14、中性衰减片；15、反射镜；16、反射镜；17、光阑；18、圆形相位物体。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步描述：

实施例一：参见附图1至附图5所示，一种基于4f相位相干成像系统测量材料的光学非线性的装置。

如附图1所示，应用于光斑分布不稳定情况下的4f相位相干成像系统的实验装置可以分为扩束系统、测量系统和参考系统三部分。扩束系统是由凸透镜1和凸透镜2组成；测量系统由相位光阑4、凸透镜6、待测样品7、凸透镜8、中性衰减片9和CCD相机10组成；参考系统由分束镜5、反射镜11、凸透镜12、凸透镜13、中性衰减片14、反射镜15和反射镜16和CCD相机10组成。

其中中性衰减片9和中性衰减片14是用来保证CCD相机10在其线性响应以内，凸透镜6和凸透镜8构成4f系统，相位光阑4放置在4f系统的物面上，待测样品7在傅里叶平面上，CCD相机10在4f系统的像平面上接收脉冲图像；凸透镜12和凸透镜13构成参考系统的4f系统。

从光参量产生器出射的脉冲激光首先经过扩束系统扩束，扩束后的激光脉冲经过相位光阑形成近top-hat光，被分束镜5分为两束，一束经凸透镜6的傅里叶变换会聚到放置在傅里叶面上的待测样品上，由于待测样品的非线性折射性质使得入射的脉冲的相位发生变化，从样品后表面出射的脉冲经过凸透镜8的傅里叶逆变换由CCD相机10进行接收，称为非线性光斑。另一束经反射镜11、凸透镜12、凸透镜13、中性衰减片14、反射镜15、反射镜16和CCD相机7接收，称为参考光斑。

附图2所示的就是相位光阑4的通常形式，相位物体18为圆形，通过相位物体18的光束比其它部分的光束位相延迟本实施例一中相位延迟0.4π。

利用应用于光斑分布不稳定情况下的4f相位相干成像系统进行非线性折射率的测量分两部分进行，即能量校准和非线性测量。

能量校准是将非线性样品7取走，将校准的能量计放置在凸透镜6和凸透镜8之间的某一位置使得激光光斑能够全部打到能量计探头上。发射一个激光脉冲，用能量计测量脉冲的能量，同时用CCD相机10采集参考光路的参考光斑。由于此时光路中所有器件都是线性器件，所以根据参考光斑的强弱就可以知道入射脉冲能量的大小。这样在非线性测量过程中的入射到待测样品7上的脉冲的能量就可以通过同一个激光脉冲产生的参考光斑来计算得到。

非线性测量的具体步骤为：将待测样品7放置在傅里叶平面上，再入射一个脉冲激光，我们在CCD上可以得到两个光斑即入射光经过测量系统打过样品后在CCD上获得非线性光斑(图3)和从参考光路中得到的参考光斑(图4)。

根据拍得的非线性光斑(图3)和参考光斑(图4)进行数值拟合。图5为数值拟合曲线，虚线为测量的非线性光斑(图3)的中心切线，实线是以参考光斑(图4)为输入数值模拟得到的中心切线。通过改变的取值使模拟非线性光斑与实验非线性光斑吻合从而数值拟合得到甲苯的三阶非线性折射率n₂的值为1.3×10^-18m²/W，这与已报道的甲苯的非线性折射率值1.0×10^-18m²/W相近。

Claims (6)

1.一种基于4f相位相干成像系统测量材料的光学非线性的装置，入射激光通过分束镜分成两束，一束为探测光进入测量光路，通过4f系统后由CCD相机采集；另一束为参考光，进入参考光路；样品位于测量光路4f系统的傅立叶平面，其特征在于：所述参考光路是4f系统，且参考光路的出射方向和测量光路的出射方向平行，参考光路与测量光路的出射光照射在同一个CCD相机上。

2.根据权利要求1所述的基于4f相位相干成像系统测量材料的光学非线性的装置，其特征在于：所述测量光路由相位光阑(4)、两个凸透镜(6、8)构成的4f系统、中性衰减片(9)和CCD相机(10)组成，所述参考光路由分束镜(5)、反射镜(11)、两个凸透镜(12、13)构成的4f系统、中性衰减片(14)、两个反射镜(15、16)和CCD相机(10)组成。

3.根据权利要求2所述的基于4f相位相干成像系统测量材料的光学非线性的装置，其特征在于：所述测量光路中的两个凸透镜(6、8)的焦距相等，所述参考光路中的两个凸透镜(12、13)的焦距相等。

4.根据权利要求2所述的基于4f相位相干成像系统测量材料的光学非线性的装置，其特征在于：测量光路中，所述相位光阑(4)到第一个凸透镜(6)的距离等于该凸透镜(6)的焦距；第二个凸透镜(8)到所述CCD相机(10)的距离等于该凸透镜(8)的焦距。

5.根据权利要求2所述的基于4f相位相干成像系统测量材料的光学非线性的装置，其特征在于：参考光路中，所述相位光阑(4)到分束镜(5)、分束镜(5)到反射镜(11)和反射镜(11)到第一个凸透镜(12)这三段距离之和等于该凸透镜(12)的焦距；第二个凸透镜(13)经两个反射镜(15、16)到CCD相机(10)的距离和等于该凸透镜(13)的焦距。

6.根据权利要求2所述的基于4f相位相干成像系统测量材料的光学非线性的装置，其特征在于：所述分束镜(5)的透过率和反射率各为50％。

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